CN102775051A

CN102775051A - 一种玻璃切割方法

Info

Publication number: CN102775051A
Application number: CN2012101961219A
Authority: CN
Inventors: 刘富荣; 黄超; 陈继民; 袁建文
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2012-11-14

Abstract

一种玻璃切割方法，是一种基于绿光激光内雕点云的新型玻璃切割方法。包括以下步骤：在计算机中用3D建模软件建立切割模型；利用专业软件将3D切割模型转化为点云模型；合理调整点云密度；利用激光器配合加工平台以及振镜系统，按照生成的点云模型在待加工玻璃材料表面和内部进行点云加工；加工完成后施加机械力使玻璃按照预设轨迹断裂，完成切割。本发明适用于多种玻璃材料切割，并可用于异形加工，可进行斜面切割，使用激光器功率低，切割效率高。

Description

一种玻璃切割方法

技术领域

本发明涉及一种基于绿光激光器内雕点云的玻璃切割方法。

背景技术

玻璃在工业生产和日常生活中应用非常广泛。利用激光对玻璃进行切割，较原始的切割方法有诸多优点。目前，用来进行玻璃切割的激光主要是波长为1μm左右的YAG激光，和波长为10.6μm的CO₂激光，原理都是诱导控制玻璃断裂，其加工功率比较高，多数在100W以上，并且切割面都是垂直于玻璃表面，此外在进行异型玻璃切割时易产生不可控裂纹。对于超白玻璃，因为其对紫外、可见光波段、近红外波段具有更高的透过率，切割更加困难。

发明内容

针对以上内容，有必要提出一种低功率、高可靠、可进行斜面切割的玻璃切割方法，用来对一待切割玻璃按预定形状进行切割。

本发明可以实现厚度1.5cm以内的玻璃的异形切割、斜面切割。有效的降低了激光在玻璃加工领域的功率，改善了切割的可控性。切割适用范围广，如普通玻璃、掺杂离子玻璃、超白玻璃等。

本发明采用的玻璃切割装置包括计算机、激光器、计算机与激光器连接的数据线、激光运动控制系统、工作台等运动控制系统，材料为各种待切割玻璃。

一种玻璃切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在计算机中用3D建模软件建立切割模型；

（2）将3D切割模型转化为点云模型；点云模型的点云密度在90~125点/mm²范围内变化，激光器泵浦电流在38A~41A之间变化；切割时点云模型高度大于玻璃厚度0.8~2mm；

（3）利用波长为激光器配合加工平台以及振镜系统，按照生成的点云模型在待加工玻璃材料内部进行点云加工；点云面构成切割面；

（4）在预设切个图形区域外任意施加机械力，玻璃按照预设切面断裂，完成切割；

所述的激光器是绿光激光器。激光在玻璃内部进行刻点形成裂痕，多个裂痕组成断裂面，实现切割。

所述的3D建模软件可以是：3D MAX、Pro/E、solidworks、AUTO CAD等

所述的点云模型是指将切割模型的各个面打散成点阵。

所述的切割类型指的是垂面切割（切割面垂直于玻璃表面）、斜面切割（切割面与玻璃表面不垂直）。

所述的点云密度是指调整点与点之间距离，距离过大将会导致切割不彻底，影响切割质量，距离过小会导致产生不可控裂痕。随着玻璃材料密度和光透过率的增加，点云密度和功率也要随之增加。

进一步，所述的激光器是波长为532nm的半导体泵浦绿光激光器。泵浦电流可调，最高泵浦电流为43A，平均功率最高约为750mw。

所述的加工平台是指一个能在竖直方向进行精确移动的平台，用来在竖直方向定位待加工材料。振镜系统用来将激光束在二维平面内定位。

所述的点云加工指的是，按照第（2）和（3）步中生成并调整好密度的点云模型，将激光在需要打点的位置聚焦，聚焦点的能量密度将大于玻璃的破裂阈值，在聚焦点出产生一个微小裂痕，而在聚焦点以外的位置，能量密度低，不会对玻璃造成破坏。

所述的切面是指点云加工形成的点阵面。

本发明的工作原理是：根据玻璃材料类型与切面类型（垂直切割与斜面切割）调整点与点之间距离和功率：对于普通玻璃，垂直切割时，点云密度为90~105（点/mm²），激光器泵浦电流为38.0~39.0A；斜面切割时，点云密度为100~110（点/mm²），激光器泵浦电流需39.0~40.0A之间，随切割面与底面之间角度的减小，切割功率与点云密度需要相应增加；对于超白玻璃，其密度和硬度均高于普通玻璃，垂直切割时，点云密度为100～115（点/mm²），激光器泵浦电流为39.0A~39.5A之间。斜面切割时，点云密度为110~125之间，泵浦电流为40A。为简化Z轴方向的定位过程，建立点云模型时，模型高度应比欲切割玻璃厚度大0.8~2mm，这样能保证点云面贯穿玻璃，提高切割质量。控制振镜、平台和激光器，按照预先设定的路径在玻璃内部刻点，利用多点组成切面，切面处玻璃的应力遭到破坏，在切割件周围施加机械力，玻璃会从切面处断裂，完成切割。其他类型的玻璃，根据其密度、弹性模量和断裂强度决定点云密度和激光功率。通常情况下点云密度、激光功率和上述三个参量成正比。

本发明可实现从待加工玻璃中切割出圆形、方形、不规则闭合曲线等。此外因为其加工单元为点，切面是由点构成，所以可完成斜面切割（切割面与玻璃表面不垂直，且角度可控）。

本发明的特点是：

（1）与传统的玻璃刀切割相比，属于非接触加工，而且能更好的控制加工轨迹。具有更高的切面平直度。

（2）与其他激光切割玻璃使用的激光器不同，本发明使用的是波长为532nm的半导体泵浦绿光激光器

（3）与其他激光切割玻璃的方法不同，传统的利用激光进行的玻璃切割通常用CO₂激光器或者波长为1μm左右的YAG激光器，方法是激光按照预定轨迹照射玻璃，聚焦在玻璃内，玻璃受热发生断裂，裂痕向上下表面延伸，完成切割，这种延伸的裂痕垂直于玻璃表面，并且必须到达玻璃表面才会停止。本发明采用的方法是小范围控制断裂，每一个断裂点尺寸为5~10μm，即玻璃在激光的一次作用下，裂痕只在作用点附近延伸，更加有效的控制裂痕分布。由多个裂痕点构成断裂面，完成切割（见实例1）。

（4）与传统的玻璃刀切割和其他激光切割相比，本发明的工作原理决定了这些点可以根据需要出现在空间的任意位置，因此可以产生与玻璃表面成任意角度的切割面（见实例2）可以完成角度可控的斜面切割。

（5）532nm绿光激光在内雕方面应用非常成熟，配合本发明可实现内雕切割同时完成，在不需要任何夹具的情况下有效解决内雕定位问题（见实例3）。

附图说明

图1本发明中玻璃切割系统的结构示意图

图中：1，振镜扫描系统，2，激光光束，3，待切割玻璃材料，4，点云面（切割面），5，加工平台，6，532nm半导体泵浦绿光激光器，7，激光器、振镜与计算机连接线，8，计算机，9，计算机与加工平台连接线。

图2不规则闭合曲面点云模型图

图3厚度为1.1mm的普通玻璃不规则闭合曲线切割件

图4正棱台点云模型图

图5厚度为5.9mm的正棱台超白玻璃切割件

图640mm圆形切割件

具体实施方式

首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

实例1

本发明选用体积小，加工方便的532nm半导体泵浦绿光激光器，激光运动控制系统采用扫描振镜；选用厚度为1.1mm的普通玻璃作为待切割材料；选用不规则闭合曲线为切割形状。本实例属于普通玻璃垂直切割。

本实例按以下方法进行：将玻璃清洗干净，置于加工平台上；利用3Dmax画出不规则闭合曲线，通过放样生成曲面，高度为2.0mm，和保存为OBJ格式；将文件导入专业软件生成点云模型；将点云密度调整为100（点/mm²）左右，保存点云模型为dxf格式，模型图见图2；将点云模型dxf文件导入激光控制软件；设定激光器泵浦电流为38.5A，激光器重频为1.81kHz，单脉冲打点；打开激光器，使激光器按照预先设定的加工参数开始扫描；扫描完毕后，取出玻璃，在不规则图形范围外施加机械力，去除周围玻璃材料，即可得到不规则闭合曲线的切割件。实物图见图3。

实例2

斜面切割

本发明选用体积小，加工方便的532nm半导体泵浦绿光激光器，激光运动控制系统采用扫描振镜；选用厚度为5.9mm的超白玻璃作为待切割材料；选用正棱台为切割形状，棱台侧面与底面角度为65°，本实例属于超白玻璃斜面切割。

本例按以下方法进行：将玻璃清洗干净，置于加工平台上；利用3Dmax画出底面边长为10mm、高度为6.9mm的正棱台，和保存为OBJ格式；将文件导入专业软件生成点云模型；将点云密度调整为110（点/mm²）左右，保存点云模型为dxf格式，模型图见图4；将点云模型dxf文件导入激光控制软件；设定激光器泵浦电流为39.3A，激光器重频为1.81kHz，单脉冲打点；打开激光器，使激光器按照预先设定的加工参数开始扫描；扫描完毕后，取出玻璃，在切割件范围外施加机械力，去除周围玻璃材料，即可得到方台型切割件。实物图见图5。

实例3

本发明选用532nm半导体泵浦绿光激光器，激光运动控制系统采用扫描振镜；选用厚度为5.9mm的超白玻璃作为待切割材料；选用直径为40mm的圆形为切割形状，学校LOGO为内雕图形。本实例属于超白玻璃切割内雕一体化。有效解决内雕定位问题。

本实例按以下方法进行：将透明亚克力板置于加工平台上，将玻璃清洗干净，放置在亚克力板上；利用3Dmax画出直径为40mm、高度为7mm的圆柱面，和保存为OBJ格式；将柱面模型和LOGO图形文件导入专业软件生成点云模型；将柱面点云密度调整为115（点/mm²）左右，合理调整LOGO点云密度，柱面位于LOGO外侧。将两点云模型合并，并保存为dxf格式；将点云模型dxf文件导入激光控制软件；设定激光器泵浦电流为39.3A，激光器重频为1.81kHz，单脉冲打点；打开激光器，使激光器按照预先设定的加工参数开始扫描；扫描完毕后，取出玻璃，在圆形区域之外轻微施加机械力，去除周围玻璃材料，即可得到圆形切割件，内部雕刻有LOGO图案。实物图见图6。

Claims

1.一种玻璃切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在计算机中用3D建模软件建立切割模型；

（4）在预设切割图形区域外任意施加机械力，玻璃按照预设切面断裂，完成切割；

所述的激光器是绿光激光器。